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鋰離子電池內阻的特性以及原理分析

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2021年06月08日  

人類社會的進步離不開社會上各行各業的努力,各種各樣的電子產品的更新換代離不開我們的設計者的努力,其實很多人并不會去了解電子產品的組成,比如鋰離子電池內阻。電池的內阻是蓄電池最重要的特性參數之一,它是表征電池壽命及電池運行狀態的重要參數,是衡量電子和離子在電極內傳輸難易程度的重要標志。內阻還反映了電池的健康狀態。電池出廠時的內阻很小,但經過長期充放電后,由于電池內部電解液的損耗,以及電池內部化學物質活性的降低,會使內阻逐漸新增,電解質會在多次充放電中逐步變性,內阻新增,直到內阻大到電池內部的電量無法正常釋放出來,此時電池老化,相對的電池容量也會下降。


鋰離子電池內阻不是定值,它跟鋰離子電池的工作狀態有關,包括歐姆內阻和極化內阻這兩部分。


1)歐姆內阻


歐姆內阻是鋰離子電池的固有電阻,即直流內阻,可以認為在一定的SOC狀態下是固定的。它重要由電極材料,電解質,隔膜的電阻以及材料其他部分的內阻組成。該圖示出了處于特定SOC狀態的鋰離子電池的放電過程。當鋰離子電池開始放電時,歐姆內阻將在鋰離子電池的兩端出現瞬時電壓降ΔU1。該電壓降會持續很短的時間(2ms以內)。因此,要對鋰離子電池的動態內阻進行更多的測試。響應時間短。短時間后,鋰離子電池的極化將起用途。鋰離子電池兩端的電壓降重要是由極化內阻引起的。在充電過程中,歐姆內阻還會引起鋰離子電池兩端的瞬時電壓上升。變化后,極化內阻起著用途。


2)極化內阻


放電后短時間內鋰離子電池的電壓降是由歐姆內阻引起的,其后的電壓降重要是由極化引起的。由于鋰離子電池的內部化學反應,極化使用和電池SOC狀態變化將導致電池輸出電壓下降,但這種變化緩慢,這不同于歐姆內阻引起的電池兩端電壓的瞬時下降。此時的內部電阻是由鋰離子電池的化學反應中的離子濃度引起的,這稱為極化內部電阻。內阻隨著反應的進行而變化,其大小與檢測時間和電流強度有關。放電過程中電壓在10-20s內持續緩慢下降,充電過程20s之后的電壓持續緩慢上升都是由極化內阻引起的。


內阻影響因素


鋰離子電池的交流和直流內部電阻與溫度有著明顯的反比關系,即溫度下降時內部電阻會升高,并表現出典型的非線性特性。在實際應用過程中,應防止鋰離子電池在低溫環境下充放電,特別是低溫充電對電池性能影響很大。


鋰離子電池在不同SOC狀態下的直流內阻呈現出放電深度越大,直流內阻越大的趨勢。由圖可知,處于不同SOC狀態的鋰離子電池的交流內阻非常接近,可以認為鋰離子電池AC的內阻不隨SOC的變化而變化。鋰離子電池在不同SOC狀態下的交流內阻基本沒有變化,因此在應用過程中僅需研究不同SOC狀態下的直流內阻值即可。


鋰離子電池內阻特性


隨著鋰離子電池的使用,電池性能持續下降,重要是由于容量下降,內部電阻新增,功率下降等。電池內部電阻的變化受溫度和放電深度等各種使用條件的影響。內阻是評估鋰離子電池性能的重要指標之一。關于大型鋰離子電池組應用,例如電動汽車的電源系統,由于測試設備的局限性,不可能或不方便直接測試交流內阻。通常,電池組的特性由直流內部電阻評估。在實際應用中,DC內部電阻還用于評估電池的健康狀況,預測壽命以及評估系統SOC,輸出/輸入能力等。


由于制造工藝不同,每個鋰離子電池制造商生產的同一型號電池的內阻差異很大。即使電池是由相同的制造商,相同的材料,相同的工藝,相同的材料和相同的批次生產的,電池的內阻也有很大的不同。


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